Über Chiralität, Tunneln und Lichtfelder

Wird sich ein Elektron, das einem Molekül durch einen Quantentunnel entkommt, je nach Links- oder Rechtshändigkeit des Moleküls anders verhalten?

Chemiker haben die Ausdrücke „linkshändig“ und „rechtshändig“ aus der Anatomie entlehnt, um Moleküle zu beschreiben, die durch eine bestimmte Art von Asymmetrie gekennzeichnet sind. Um das Konzept der Chiralität zu erkunden, schauen Sie auf Ihre Hände mit den Handflächen nach oben. Offensichtlich sind die beiden Spiegelbilder voneinander. Aber so sehr wir auch versuchen, sie zu überlagern, sie werden sich nicht vollständig überlappen. Solche Objekte, die als „chiral“ bezeichnet werden, sind in der Natur in allen Größenordnungen zu finden, von Galaxien bis hin zu Molekülen.

Jeden Tag erleben wir Chiralität nicht nur, wenn wir einen Gegenstand greifen oder unsere Schuhe anziehen, sondern auch, wenn wir essen oder atmen: Unser Geschmack und Geruch kann zwei Spiegelbilder eines chiralen Moleküls unterscheiden. Tatsächlich reagiert unser Körper so empfindlich auf Chiralität, dass ein Molekül ein Medikament und sein Spiegelbild ein Gift sein kann. Chiralität ist daher von entscheidender Bedeutung in der Pharmakologie, wo 90 Prozent der synthetisierten Arzneimittel chirale Verbindungen sind.

Chirale Moleküle haben besondere Symmetrieeigenschaften, die sie zu großartigen Kandidaten für die Untersuchung grundlegender Phänomene in der Physik machen. Kürzlich nutzten die Forschungsteams um Prof. Yann Mairesse vom CNRS / Bordeaux University und Prof. Nirit Dudovich vom Department of Physics of Complex Systems des Weizmann-Instituts Chiralität, um ein neues Licht auf eines der faszinierendsten Quantenphänomene zu werfen: den Tunnelprozess.

Tunneln ist ein Phänomen, bei dem Quantenteilchen scheinbar unmöglich zu überwindende physikalische Barrieren überqueren. Da diese Bewegung in der klassischen Mechanik verboten ist, ist es sehr schwierig, sich ein intuitives Bild ihrer Dynamik zu machen. Um einen Tunnel in chiralen Molekülen zu erzeugen, setzten die Forscher sie einem intensiven Laserfeld aus. „Die Elektronen der Moleküle sind natürlich durch eine Energiebarriere um die Kerne gebunden“, erklärt Mairesse. „Sie können sich die Elektronen als Luft vorstellen, die in einem aufblasbaren Ballon eingeschlossen ist. Die starken Laserfelder haben die Fähigkeit, die Dicke des Ballons so weit zu reduzieren, dass etwas Luft durch ihn tunneln kann, obwohl der Ballon kein Loch hat.“

Mairesse, Dudovich und ihre Teams machten sich daran, einen noch unerforschten Aspekt des Tunnelns zu untersuchen: den Moment, in dem ein chirales Molekül auf ein chirales Lichtfeld trifft, und die Art und Weise, wie sich ihre kurze Begegnung auf das Elektronentunneln auswirkt. „Wir waren sehr gespannt darauf, die Verbindung zwischen Chiralität und Tunneln zu erforschen. Wir wollten unbedingt mehr darüber erfahren, wie Tunneln unter diesen besonderen Umständen aussehen würde“, sagt Dudovich.

Es dauert nur wenige hundert Attosekunden, bis ein Elektron einem Atom oder Molekül entkommt. Solche winzigen Zeitrahmen charakterisieren viele der Prozesse, die in den Labors von Mairesse und Dudovich untersucht werden. Die beiden Teams stellten sich folgende Frage: Wie wirkt sich die Chiralität eines Moleküls auf das Entweichen eines Elektrons aus?

„Wir haben ein zeitlich rotierendes Laserfeld verwendet, um die Barriere um die chiralen Moleküle zu drehen“, sagt Mairesse. „Um mit der Ballon-Metapher fortzufahren: Wenn sich das Laserfeld horizontal dreht, erwartet man, dass die Luft den Ballon in der horizontalen Ebene verlässt und der Richtung des Laserfelds folgt. Was wir herausgefunden haben, ist, dass die Luft, wenn der Ballon chiral ist verlässt den Ballon und fliegt in Richtung Boden oder Decke, je nach Rotationsrichtung des Lasers. Mit anderen Worten, die Elektronen treten aus dem chiralen Tunnel mit einer Erinnerung an die Rotationsrichtung der Barriere aus. Dies ist dem Effekt von sehr ähnlich ein Korkenzieher, aber im Nanometer- und Attosekundenbereich.“

Die beiden Teams entdeckten somit, dass die Wahrscheinlichkeit, dass ein Elektron tunnelt, die Phase, in der das Elektron austunnelt, und der Zeitpunkt des Tunnelereignisses von der Chiralität des Moleküls abhängen. Diese aufregenden Ergebnisse bilden die Grundlage für weitere Studien, die die einzigartigen Symmetrieeigenschaften chiraler Moleküle nutzen werden, um die schnellsten Prozesse zu untersuchen, die bei der Licht-Materie-Wechselwirkung auftreten.

Die Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht Körperliche Überprüfung X.